（中國有色(沈陽)泵業(yè)有限公司設(shè)計研究所，遼寧沈陽 110141）

1.概述

隔膜泵是長距離管道化輸送固液兩相介質(zhì)的核心設(shè)備。隔膜泵中曲柄連桿機構(gòu)的作用是把原動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運動，同時把原動機的機械能傳給所輸送的液體。連桿與十字頭通過銷軸軸承連接支撐，按偏心距推動十字頭、介桿、活塞桿做往復(fù)直線運動。十字頭在導(dǎo)板中滑動，需要充足的冷卻潤滑液保證十字頭良好工作【1】，其滑板與導(dǎo)板相互摩擦，產(chǎn)生熱量，使滑板、導(dǎo)板表面溫度升高。若滑板溫度升高過快，會引起十字頭與滑板的材質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，從而引起擦傷的出現(xiàn) [2～6]。因此，對十字頭滑板與導(dǎo)板的摩擦過程進行熱力耦合的研究顯得十分重要。

由于接觸表面的最高溫度在接觸處瞬時形成的閃現(xiàn)溫升,接觸位置又時刻發(fā)生變化,因此,依靠傳統(tǒng)的解析方法很難得到精確的溫度場分布，而采用有限元法卻能夠有效地解決溫度場的計算問題[7]。本文利用大型有限元軟件 ADINA，分析十字頭運動過程中，滑板與導(dǎo)板受摩擦熱和力場的耦合作用下，接觸區(qū)域的局部溫度變化及應(yīng)力變化等特性。

2 熱分析的基本假設(shè)

由于十字頭裝配的結(jié)構(gòu)和受力均對稱，所以采用一半模型進行分析。建立如圖1 所示的承受120T 活塞力的十字頭裝配三維模型，對十字頭裝配在多體動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上進行熱力耦合分析。

分析過程中，為了使問題易于處理，但不失去其意義，做出以下假設(shè)：

(1)忽略泄漏所帶走的摩擦熱；

(2)無輻射散熱，接合過程中產(chǎn)生的熱量全部用于滑板、導(dǎo)板溫升。

(3)導(dǎo)熱過程僅與時間有關(guān)，不考慮溫升等因素導(dǎo)致的材料導(dǎo)熱系數(shù)變化的影響。

(4)十字頭的運動通過簡化為beam 單元的曲軸、連桿、銷軸的運動轉(zhuǎn)化。

3 有限元建模分析

3.1 有限元模型及網(wǎng)格劃分

十字頭、滑板、導(dǎo)板與左中右導(dǎo)板座采用3-D Solid 單元，曲柄、連桿和銷軸采用Beam 單元，滑板下表面與導(dǎo)板上表面采用3-D 接觸類型。設(shè)置環(huán)境溫度為20。設(shè)置TMC 分析時，選擇雙向耦合 [8]。對十字頭、左、中、右導(dǎo)板座進行四面體網(wǎng)格劃分，單元大小為25mm，共劃分6065 個節(jié)點，23534 個單元；對下滑板、導(dǎo)板進行六面體網(wǎng)格劃分，單元大小為30mm，共劃分3690 個節(jié)點，2240 個單元。劃分后的模型如圖2 所示。

3.2 邊界條件

圖1 十字頭裝配模型示意圖

圖2 十字頭運動有限元模型

圖3 十字頭運動有限元邊界條件

圖4 滑板上一個節(jié)點的溫度-時間歷程曲線

圖5 滑板與導(dǎo)板溫度分布云圖

圖6 滑板與導(dǎo)板應(yīng)力分布云圖

十字頭運動摩擦生熱分析的邊界條件為：導(dǎo)板座與下導(dǎo)板之間通過共節(jié)點綁定，下滑板與十字頭之間通過共節(jié)點綁定，下滑板與下導(dǎo)板之間做面-面接觸對。對十字頭裝配體的對稱面施加對稱約束，左、中、右導(dǎo)板座底部進行全約束；去程十字頭左端面施加活塞力 的，回程施加活塞力 ；對曲柄銷施加轉(zhuǎn)動速度 ，曲柄銷、連桿和銷軸之間通過約束方程作用，銷軸的端點通過剛性連接對十字頭孔作用，十字頭運動摩擦生熱的有限元模型邊界條件如圖3 所示。

4 計算結(jié)果與分析

滑板與導(dǎo)板的滑動摩擦過程中,由于摩擦的非線性接觸,因此施加的載荷需要用較小的時間步和精確的加載歷程，對其進行運行2 轉(zhuǎn)的分析。

圖4 是滑板上某個節(jié)點的溫度-時間歷程曲線，由圖4 可知，在去程時溫度逐漸上升，回程時溫度幾乎保持不變；圖5、圖6 是曲柄銷運行2 轉(zhuǎn)后滑板與導(dǎo)板的溫度云圖及應(yīng)力云圖。由圖5、6 可知，滑板、導(dǎo)板摩擦應(yīng)力強度最大值分布在接觸面對稱面處。

結(jié)語

（1）采用有限元分析方法，對十字頭運動過程中滑板與導(dǎo)板的熱力耦合進行分析，得到接觸面的溫度分布、應(yīng)力分布以及最高溫度的變化趨勢，為研究十字頭滑板、導(dǎo)板材料表面損傷機制提供依據(jù)；

（2）在滑動摩擦過程中,最高溫度在接觸面中線并向外擴展,溫度從接觸面向四周呈遞減趨勢；

（3）該熱力耦合分析為隔膜泵中冷卻油量的確定提供了一些理論依據(jù)。

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